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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von zumindest einem Bauteil mit zumindest einem Substrat. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf ein in diesem Verfahren hergestelltes System und auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren, insbesondere Sinterprozesse, zum Verbinden von Bauteilen mit Substraten bekannt. Beispielsweise kann auf druckunempfindliche Bauteile während des Sinterns ein mechanischer Druck ausgeübt werden, um eine möglichst stabile Verbindung zu erreichen. Mechanisch druckempfindliche Bauteile können jedoch nur in einem drucklosen Sinterprozess mit einem Substrat verbunden werden, um diese nicht zu beschädigen. Dies führt allerdings zu einer hohen Porosität der so gebildeten Verbindungsschicht, was eine geringe elektrische Leitfähigkeit und eine geringe mechanische Festigkeit der Verbindungsschicht zur Folge hat.
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Es wird ein Verfahren zum Verbinden von zumindest einem Bauteil mit zumindest einem Substrat vorgeschlagen. Zumindest ein Sinterwerkstoff wird anliegend an das Bauteil und das Substrat zwischen dem Bauteil und dem Substrat angeordnet. Der Sinterwerkstoff wird gesintert, um das Bauteil mit dem Substrat zu verbinden. Das Sintern des Sinterwerkstoffs wird in einer Überdruckatmosphäre durchgeführt.
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Vorzugsweise ist das Verfahren zum Verbinden von zumindest einem mechanisch druckempfindlichen Bauteil mit dem Substrat vorgesehen. Bevorzugt ist das Verfahren zum mechanischen und/oder elektrischen Verbinden von dem Bauteil mit dem Substrat vorgesehen. Bevorzugt ist das Bauteil als ein elektrisches, insbesondere elektronisches, Bauteil ausgebildet. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, speziell ausgestattet und/oder speziell ausgelegt verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt die Funktion in zumindest einem Betriebszustand ausführt.
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Mittels des Sinterns des Sinterwerkstoffs wird insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Substrat hergestellt. Der Sinterwerkstoff kann insbesondere auf das Bauteil und/oder das Substrat, insbesondere als eine Sinterwerkstoff-Schicht, aufgetragen werden. Insbesondere können das Bauteil und das Substrat an einer mit dem Sinterwerkstoff versehenen Seite in Kontakt miteinander gebracht werden. Insbesondere wird der Sinterwerkstoff in direktem Kontakt mit dem Bauteil und dem Substrat angeordnet. Der Sinterwerkstoff kann vor dem Sintern insbesondere in pastöser Form, in zähflüssiger Form, in elastischer Form, in Pulverform o. dgl. vorliegen.
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Der Sinterwerkstoff umfasst insbesondere zumindest ein Material, das gesintert werden kann. Das Material kann beispielsweise als Silber, Kupfer oder als ein anderes, einem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Material ausgebildet sein. Das Material kann insbesondere in Form von Mikro- und/oder Nanopartikeln in einem Lösungsmittel gebunden sein. Das Sintern des Sinterwerkstoffs ist insbesondere ein wärmeinduzierter Diffusionsprozess von Partikeln des sinterbaren Materials. Insbesondere wird der Sinterwerkstoff beim Sintern erhitzt, beispielsweise auf mehr als 200° C, sodass die Partikel des sinterbaren Materials sich durch Diffusionsprozesse zu einer stabilen Verbindungsschicht, die insbesondere das Bauteil und das Substrat stoffschlüssig verbindet, verbinden. Vorzugsweise gast das Lösungsmittel während des Erhitzens aus, so dass die Verbindungsschicht aus dem sinterbaren Material gebildet ist.
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Die Überdruckatmosphäre ist insbesondere eine Atmosphäre, die einen Luftdruck aufweist, der höher ist als ein mittlerer Luftdruck der Erdatmosphäre auf Meereshöhe, insbesondere höher als 1 bar. Die Atmosphäre kann insbesondere einen Luftdruck von zumindest 2 bar, bevorzugt von zumindest 3 bar und besonders bevorzugt von zumindest 4 bar aufweisen. Vorzugsweise kann das Sintern in einem geschlossenen Raum, beispielsweise einer Dekompressionskammer, in dem/der die Überdruckatmosphäre herrscht, durchgeführt werden. Bevorzugt befinden sich während des Sinterns das Substrat, das Bauteil und der Sinterwerkstoff in der Überdruckatmosphäre. Insbesondere ist das Sintern als ein Überdrucksintern ausgebildet.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann vorteilhaft ein Bauteil mit einem Substrat verbunden werden. Vorteilhaft können mechanisch druckempfindliche Verfahren mit Substraten gebunden werden und gleichzeitig eine geringe Porosität einer Verbindungsschicht erreicht werden. Vorteilhaft kann ein Verfahren bereitgestellt werden, dass die Herstellung einer mechanisch festen und elektrisch hoch leitfähigen Verbindung zwischen einem mechanisch druckempfindlichen Bauteil und einem Substrat ermöglicht.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass durch die Überdruckatmosphäre ein gleichmäßiger Luftdruck richtungsunabhängig auf das Bauteil, das Substrat und den Sinterwerkstoff einwirkt. Insbesondere herrscht in einem Raum, in dem sich das Bauteil, das Substrat und der Sinterwerkstoff während des Sinterns befinden, überall der gleiche Luftdruck, insbesondere Überdruck. Insbesondere wirkt der Luftdruck aus allen Richtungen gleich auf das Bauteil, das Substrat und den Sinterwerkstoff. Insbesondere wirkt der Luftdruck, anders als beispielsweise bei einem mechanischen Drucksintern, nicht nur senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats auf das Bauteil. Unter einer „Haupterstreckungsebene“ eines Objekts soll insbesondere eine Ebene verstanden werden, welche parallel zu einer größten Seitenfläche eines kleinsten gedachten Quaders ist, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt, und insbesondere durch den Mittelpunkt des Quaders verläuft. Vorteilhaft kann eine hohe Belastbarkeit des Bauteils, des Substrats und der Verbindungsschicht erreicht werden. Vorteilhaft kann das Verfahren unabhängig von einer Bauteilgeometrie und Toleranzen durchgeführt werden. Vorteilhaft kann eine gleichmäßige Belastung des Bauteils, des Substrats und des Sinterwerkstoffs ermöglicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Sintern frei von einem mechanischen Druck auf das Bauteil durchgeführt wird. Insbesondere wird bei einem Sintern mit mechanischem Druck ein Werkzeug, eine Form o. dgl. mit dem Bauteil in Kontakt gebracht und das Bauteil mechanisch an das Substrat gepresst. Vorzugsweise wird das Sintern unter Ausübung eines Luftdrucks auf das Bauteil durchgeführt. Vorteilhaft kann das Verfahren für mechanisch druckempfindliche Bauteile angewandt werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass durch das Sintern des Sinterwerkstoffs in der Überdruckatmosphäre eine Verbindungsschicht zwischen dem Bauteil und dem Substrat gebildet wird, die eine geringere Porosität aufweist als eine durch druckloses Sintern gebildete Verbindungsschicht. Insbesondere bilden sich beim Sintern Poren in der Verbindungsschicht. Insbesondere kann durch die Poren zumindest ein Gas, beispielsweise ein Lösungsmittel-Gas, aus der Verbindungsschicht entweichen. Durch den in der Überdruckatmosphäre auf die Verbindungsschicht wirkenden Luftdruck wird/werden die Verbindungsschicht verdichtet, insbesondere die Poren komprimiert. Vorzugsweise weist die in der Überdruckatmosphäre gebildete Verbindungsschicht kleinere und/oder wenigere Poren auf als eine durch druckloses Sintern gebildet Verbindungsschicht. Insbesondere sind physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise mechanische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit, der Verbindungsschicht desto besser je geringer die Porosität der Verbindungsschicht ist. Vorteilhaft kann eine Verbindungsschicht hergestellt werden, die eine Anbindung von elektrisch und/oder thermisch hochbelasteten Bauteilen ermöglicht. Vorteilhaft kann eine hohe, insbesondere elektrische, Leistungsdichte des Bauteils ermöglicht werden.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass das Bauteil als ein Chip ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Bauteil als ein Mikrochip ausgebildet. Das Bauteil kann insbesondere als ein Galliumnitrid (GaN)-Chip, als ein Silizium-Chip oder als ein anderer, einem Fachmann als sinnvoll erscheinender Chip ausgebildet sein. Der Chip kann insbesondere ein Mikroprozessor, ein Sensor, ein integrierter Schaltkreis o. dgl. sein. Vorzugsweise ist der Chip über die Verbindungsschicht mechanisch und elektrisch mit dem Substrat verbunden. Vorteilhaft kann ein Verfahren bereitgestellt werden, das eine Anbindung von Chips an ein Substrat ermöglicht.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Substrat als eine Leiterplatte oder als ein DCB-Substrat ausgebildet ist. Ein DCB (Direct Copper Bond)-Substrat ist insbesondere eine Struktur, die eine enge elektrische und thermische Verbindung von elektronischen Bauteilen und Chips über Kupfer ermöglicht. Das DCB-Substrat kann beispielsweise eine Keramikplatte mit einer Kupferschicht umfassen. Insbesondere können aus und/oder auf der Kupferschicht Leiterbahn-Strukturen und Kontaktflächen hergestellt werden. Insbesondere kann das Bauteil auf einer Kontaktfläche mit dem DCB-Substrat verbunden werden. Vorteilhaft kann ein Verfahren bereitgestellt werden, das ein Überdrucksintern von Bauteilen an Leiterplatten oder DCB-Substraten ermöglicht.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Sinterwerkstoff zumindest ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, um eine elektrische Kontaktierung des Bauteils an das Substrat zu bilden. Das elektrisch leitfähige Material kann insbesondere ein Metall, vorzugsweise Silber oder Kupfer, sein. Insbesondere ist die beim Sintern aus dem Sinterwerkstoff gebildete Verbindungsschicht elektrisch leitfähig. Vorteilhaft kann eine elektrische Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Substrat ermöglicht werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Sinterwerkstoff Silber umfasst. Insbesondere kann der Sinterwerkstoff als eine Silberpaste ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Sinterwerkstoff ein Lösungsmittel und darin gebundene Silberpartikel, insbesondere Silber-Mikro- und/oder -Nano-Partikel, umfassen. Vorteilhaft kann ein besonders effizientes Sintern und eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit der Verbindungsschicht ermöglicht werden.
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Zudem wird ein System vorgeschlagen. Das System ist hergestellt in einem erfindungsgemäßen Verfahren. Das System umfasst zumindest ein Substrat. Das System umfasst zumindest ein mit dem Substrat verbundenes Bauteil. Das Bauteil ist mittels der Verbindungsschicht mit dem Substrat verbunden. Das System kann insbesondere eine Mehrzahl von Substraten und/oder Bauteilen umfassen. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Bauteilen mit dem Substrat verbunden sein. Das System kann insbesondere zu einem Einsatz in einem Fahrzeugbereich vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein Fahrzeug, insbesondere ein elektronisches Steuergerät des Fahrzeugs, das System umfassen. Alternativ oder zusätzlich ist vorstellbar, dass das System zu einem Einsatz in einem Industriebereich, beispielsweise einer Maschine, in einem Elektronikbereich, beispielsweise in einem PC, in einem Unterhaltungselektronikbereich, beispielsweise in einer Spielekonsole, o. dgl. vorgesehen ist. Vorteilhaft kann ein System mit einer mechanisch festen und elektrisch hoch leitfähigen Verbindung zwischen einem mechanisch druckempfindlichen Bauteil und einem Substrat bereitgestellt werden.
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Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist dazu vorgesehen, zumindest während eines Sinterns eine Überdruckatmosphäre zu erzeugen. Die Vorrichtung kann insbesondere zumindest teilweise als eine Dekompressionskammer ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zumindest ein druckfestes Gehäuse zur Aufnahme des Substrats, des Bauteils und des Sinterwerkstoffs. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zumindest eine Pumpe o. dgl., um die Überdruckatmosphäre in dem Gehäuse herzustellen. Insbesondere kann die Vorrichtung zumindest eine Heizeinheit umfassen, um den Sinterwerkstoff zum Sintern zu erhitzen. Vorteilhaft kann eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die ein Überdrucksintern ermöglicht.
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Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel in den folgenden Figuren verdeutlicht. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes System in einer schematischen Darstellung,
- 2 einen Teil einer Verbindungsschicht des erfindungsgemäßen Systems aus 1 in einer schematischen Darstellung und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 7 und ein System 6 in einer schematischen Darstellung. Zumindest die Vorrichtung 7 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Vorrichtung 7 ist zur Durchführung eines in 3 gezeigten Verfahrens vorgesehen. Die Vorrichtung 7 umfasst zumindest ein druckfestes Gehäuse 8. Das System 6 ist in dem Gehäuse 8 aufgenommen. Das System 6 ist in dem in 3 gezeigten Verfahren herstellbar. In 1 ist das System 6 während der Herstellung gezeigt. Das System 6 umfasst zumindest ein Substrat 2. Das System 6 umfasst zumindest ein mit dem Substrat 2 verbundenes Bauteil 1. Das Bauteil 1 ist mittels einer Verbindungsschicht 4 mit dem Substrat 2 verbunden.
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Die Verbindungsschicht 4 wird durch ein Sintern eines Sinterwerkstoffs 3 gebildet. Das Sintern des Sinterwerkstoffs 3 wird in einer Überdruckatmosphäre durchgeführt. Die Vorrichtung 7 ist dazu vorgesehen, zumindest während des Sinterns die Überdruckatmosphäre zu erzeugen.
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Durch die Überdruckatmosphäre wirkt ein gleichmäßiger Luftdruck richtungsunabhängig auf das Bauteil 1, das Substrat 2 und den Sinterwerkstoff 3 ein. Innerhalb des Gehäuses 8, in dem sich das Bauteil 1, das Substrat 2 und der Sinterwerkstoff 3 während des Sinterns befinden, herrscht überall der gleiche Luftdruck, insbesondere Überdruck. Der Luftdruck wirkt aus allen Richtungen gleich auf das Bauteil 1, das Substrat 2 und den Sinterwerkstoff 3. Wirkrichtungen des Luftdrucks sind in 1 schematisch durch Pfeile 9 angedeutet. Das Sintern wird frei von einem mechanischen Druck auf das Bauteil 1 durchgeführt. Das Sintern wird unter Ausübung eines Luftdrucks auf das Bauteil 1 durchgeführt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 1 beispielhaft als ein Chip, insbesondere als ein Mikrochip, ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Substrat 2 beispielhaft als eine Leiterplatte ausgebildet. Alternativ ist vorstellbar, dass das Substrat als ein DCB-Substrat ausgebildet ist.
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Der Sinterwerkstoff 3 umfasst zumindest ein elektrisch leitfähiges Material, um eine elektrische Kontaktierung des Bauteils 1 an das Substrat 2 zu bilden. Die beim Sintern aus dem Sinterwerkstoff 3 gebildete Verbindungsschicht 4 ist elektrisch leitfähig. Der Sinterwerkstoff 3 umfasst Silber. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Sinterwerkstoff 3 beispielhaft als eine Silberpaste ausgebildet. Der Sinterwerkstoff 3 umfasst ein Lösungsmittel und darin gebundene Silberpartikel, insbesondere Silber-Mikro- und/oder -Nano-Partikel.
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2 zeigt einen Teil einer Verbindungsschicht 4 des Systems 6 aus 1 in einer schematischen Darstellung (rechts). Weiterhin ist in 2 ein Teil einer weiteren, durch druckloses Sintern gebildeten Verbindungsschicht 5 dargestellt (links). Durch das Sintern des Sinterwerkstoffs 3 in der Überdruckatmosphäre wird die Verbindungsschicht 4 zwischen dem Bauteil 1 und dem Substrat 2 gebildet, die eine geringere Porosität aufweist als die durch druckloses Sintern gebildete Verbindungsschicht 5.
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Beim Sintern bilden sich Poren 10, 11 in der Verbindungsschicht 4, 5. Durch die Poren 10, 11 kann zumindest ein Gas, beispielsweise ein Lösungsmittel-Gas, aus der Verbindungsschicht 4, 5 entweichen. Durch den in der Überdruckatmosphäre auf die Verbindungsschicht 4 wirkenden Luftdruck wird/werden die Verbindungsschicht 4 verdichtet, insbesondere die Poren 10 komprimiert. Die Poren 10 der in der Überdruckatmosphäre gebildeten Verbindungsschicht 10 sind kleiner und/oder weniger als die Poren 11 der durch druckloses Sintern gebildeten Verbindungsschicht 5. Physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise mechanische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit, der Verbindungsschicht 4, 5 sind desto besser je geringer die Porosität der Verbindungsschicht 4, 5 ist.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Verbinden des Bauteils 1 mit dem Substrat 2 in einer schematischen Darstellung. In einem ersten Verfahrensschritt 12 wird der Sinterwerkstoff 3 anliegend an das Bauteil 1 und das Substrat 2 zwischen dem Bauteil 1 und dem Substrat 2 angeordnet. Der Sinterwerkstoff 3 kann auf das Bauteil 1 und/oder das Substrat 2, insbesondere als eine Sinterwerkstoff-Schicht, aufgetragen werden. In einem zweiten Verfahrensschritt 13 wird der Sinterwerkstoff 3 gesintert, um das Bauteil 1 mit dem Substrat 2 zu verbinden. Das Sintern des Sinterwerkstoffs 3 wird in der Überdruckatmosphäre durchgeführt. Durch das Sintern des Sinterwerkstoffs 4 wird die Verbindungsschicht 4 zwischen dem Bauteil 1 und dem Substrat 2 gebildet. Mittels des Sinterns des Sinterwerkstoffs 3 wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Bauteil 1 und dem Substrat 2 hergestellt.
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Bezugszeichen
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- 1
- Bauteil
- 2
- Substrat
- 3
- Sinterwerkstoff
- 4
- Verbindungsschicht
- 5
- Verbindungsschicht
- 6
- System
- 7
- Vorrichtung
- 8
- Gehäuse
- 9
- Pfeil
- 10
- Pore
- 11
- Pore
- 12
- Verfahrensschritt
- 13
- Verfahrensschritt